Diffusion et ventilation

1
Diffusion et ventilationà lexercice

• Aurélien Pichon

2
Etapes du Transport de lO2
1
1 - Convection Ventilatoire
2
2 - Diffusion alvéolo-capillaire
4 Équations de Fick
3 - Convection circulatoire
3
4 Diffusion capillaro-tissulaire
4
Métabolisme tissulaire
3
Équation de Fick
4
Pourquoi la ventilation augmente ?

• Apporter lO2 à lorganisme
• Maintenir lhoméostasie pH (7.40), la PaO2
  (100 mmHg) et la PaCO2 (40 mmHg).

5
Résistances en série
4 résistances en série même VO2 à tous les
niveaux
Notion détape limitante
Sang Veineux mêlé
Gaz Inspiré
Gaz Alvéolaire
Sang Artériel
Tissus
J.B.West modifié
6
Échanges Gazeux

• Diffusion
• Haute concentration ? Faible Concentration
• Résultats dune différence de pression partielle
• O2 Alvéoles Sang Tissus
• CO2 Tissus Sang - Alvéoles

7
Ventilation adaptée aux besoins
La ventilation correspond au renouvellement du
gaz alvéolaire Hématose échanges gaz
alvéolaire - sang La composition du gaz
alvéolaire résulte dun équilibre dynamique entre
deux entrées et deux sorties Le maintien de PAO2
et PACO2 constantes exige une ventilation adaptée
aux besoins
Ventilation
Hématose
8
(No Transcript)
9
Résistances diffusionnelles
J.M.B.Hughes
Deux résistances en série
A lexercice, le temps de contact est réduit et
DP varie peu nécessité dune augmentation
importante de DLO2 (Diffusion pulmonaire O2)
1/Dm résistance membranaire 1/Vc résistance
vasculaire
10
Diffusion alvéolo-capillaire
Déterminé par léquation de Fick V
(ml/mmHg/min) D x dP x S/e D coefficient de
diffusion S surface de laire de diffusion dP
gradient de pression e Epaisseur de la
membrane
11
Diffusion alvéolo-capillaire
Déterminé par léquation de Fick
D
D
12
Diffusion alvéolo-capillaire

• Constante de diffusion (D) dépend
• propriété du tissu
• gaz considéré
• Constante de diffusion proportionnelle à la
  solubilité du gaz (Sol) et inversement
  proportionnelle au poids moléculaire (PM)
• D Sol / (PM)1/2
• CO2 diffuse 20 fois plus vite que lO2 !

13
Diffusion alvéolo-capillaire à lexercice

• Au cours de lexercice
• augmentation de la pression transmurale et
  dilatation des vaisseaux pulmonaires
• ouverture de capillaires précédemment non
  perfusés
• élargissement de la surface effective
  déchange alvéolo-capillaire (S augmente)
• petite augmentation de la pression dans la
  circulation pulmonaire malgré une forte
  augmentation du débit cardiaque (Qc)

14
Diffusion alvéolo-capillaire à lexercice
Valeurs moyennes de Do2 (44 sujets) et de Dco
(318 sujets) en fonction de VO2.
15
PAP à lexercice
16
PAP à lexercice
10 20 30 40
Pression artérielle pulmonaire moyenne (mmHg)
5 10 15 20 25
Qc (L/min)
17
Perfusion pulmonaire
Exercice
Repos
18
Le rapport ventilation/perfusion au cours de
lexercice

• Le rapport ventilation/perfusion (VA/Q)
• Repos VA/Q 0,8 (4 L.min-1 / 5 L.min-1)
• Exercice x 3 à 8 VA/Q 4 (100 L.min-1 / 25
  L.min-1)
• VA x 15 -20
• Q x 4 -5.

19
Le rapport ventilation/perfusion au cours de
lexercice

• VA/ Q plus uniforme au cours de lexercice
• Réduction de la non-homogénéité de la
  distribution du rapport ventilation/perfusion au
  niveau régional.
• Mais augmentation de lhétérogénéité du rapport
  VA/Q dans des zones particulières du poumon (Gale
  et coll., 1985).

20
Echanges gazeux normaux
21
Majoration de la surface déchange
alvéolo-capillaire à lexercice
Augmentation de la PA différentielle
Augmentation PAP
Augmentation de la vitesse de circulation
Vitesse max fonction du rapport entre le débit et
la surface déchange
22
Hypoxémie induite par lexercice

• En général PaO2 suffisante pour assurer une
  complète saturation en O2 de lhémoglobine (98).
• PB des athlètes de haut niveau au cours
  dexercices épuisants
• réduction du temps de transit des hématies dans
  la circulation capillaire pulmonaire
• œdème pulmonaire ...
• désaturation en O2 du sang artériel (SaO2 lt 88)

23
Structure de la barrière (ou membrane)
alvéolo-capillaire
24
Gradient alvéolo/artérielà lexercice
Gradient alvéolo-artériel pour loxygène (AaDo2)
Au repos 10 mmHg Au Seuil 20-25 mmHg VO2MAX
30 mmHg
Valeurs moyennes de PaO2 et de PaCO2 ( écart
type) en fonction de (VO2). En trait fin,
ajustements respectifs de PAO2 et PACO2. La
largeur de la zone pointillée indique les valeurs
de AaDo2 et de aADco2 (daprès Cerretelli et Di
Prampero, 1987).
25
Le rapport ventilation/perfusion au cours de
lexercice

• Causes probables de modification de AaDo2 à
  lexercice
• inégale distribution du rapport
  ventilation/perfusion (VA/Q) dans les différents
  lobes du poumon.
• augmentation des courts-circuits (shunts)
  veino-artériels.
• inégale distribution de la capacité de diffusion
  du poumon.

26
Adaptations respiratoires accessoires

• Bronchodilatation
• Augmentation de la différence alvéolo-capillaire
  en O2 (PAO2 PcO2) 
• Ouverture dalvéoles supplémentaires
• Faible diminution de lépaisseur de la membrane
  alvéolo-capillaire

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Mesure de la ventilation (VE)

• VE nombre de L dair mobilisés par le sujet en
  L/min
• Méthode de mesure
• en circuit fermé par spiromètrie.
• en circuit ouvert utilisation du
  pneumotachographe

28
Mesure de la ventilation (VE)

• VE Vt x Fr
• VE 0.5 x 18
• VE 8 à 10 L au repos
• Vt volume courant (tidal volume)
• Fr fréquence respiratoire

29
Mesure de la ventilationalvéolaire (VA)

• VA (Vt VD) x Fr
• VA (0.5-0.15) x 18
• VA 6.3 L au repos
• Vt volume courant (tidal volume)
• VD espace mort anatomique (/- physiologique!)
• Fr fréquence respiratoire

30
Trois aspects de la ventilation à lexercice

• Aspect quantitatif évolution de la VE en
  fonction de lintensité de lexercice
• Aspect cinétique délais dadaptation et de
  récupération
• Aspect qualitatif déterminant du rendement
  ventilatoire

31
Évolution du régime ventilatoire à lexercice

• Chez les sujets NE
• VEMAX vont se situer entre 120 et 150 L/min.
• Fr 60-80 cycl.min-1
• Vt 1.8-2.4 L
• VEMAX lt VMM (Ventilation Max Minute)

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Évolution du régime ventilatoire à lexercice

• Chez les sujets Entraînés
• très vite au Vt optimal permet de retarder
  laugmentation de sa Fr.
• respiration à grand Vt et petite Fr meilleur
  ventilation alvéolaire.
• VEMAX 180-200 L/min.
• VEMAX lt VMM

33
Majoration préférentielle du volume courant pour
les exercices modérés
VT
FR
VT augmente au dépend des réserves inspiratoire
et expiratoire dans la limite des possibilités de
la CV
Intensité
34
Relation VT max. CV
7
Capacité pulmonaire totale
5
Volumes en litre
Capacité vitale
3
1
Volume résiduel
20
40
60
80
Age en années
VE max évolue comme la CV
VT max limité à 50 60 de la CV FR max de
lordre de 35 à 60 / min
35
VD/VT à lexercice et rendement ventilatoire
Vt augmente / Vd avec lintensité de lexercice
meilleure VA Laugmentation de VT améliore le
rendement ventilatoire
K.Wasserman
B.Whipp S.Ward
36
Coût de laugmentation du VT
A fort volume, la même augmentation de volume
nécessite de développer des variations de
pression plus importantes
DV
DP
DV
DP
B.Whipp R.Pardy
37
Résistances des voies aériennesà lexercice

• Turbulences maximales au niveau des VA
  supérieures surtout en ventilation nasale
• Bronchodilatation adrénergique par voie
  essentiellement humorale
• Bronchoconstriction favorisée par lair froid et
  sec, la pollution, les irritants.
• Résistances majeures dans les VA de diamètre
  moyen

38
Pressions et débits à l exercice
39
Limitation ventilatoire en pathologie
40
Effets de lentraînement

• Exercice chronique adaptation de lorganisme
• études transversales au repos ( sujet sédentaire
  / sujet entraînés).
• études longitudinales (avant et après
  lentraînement).

41
Volumes et capacités pulmonaires

• Peu de modifications
• Augmentation de la CVF.
• Diminution du VR.
• Augmentation de la force des muscles
  respiratoires.

42
Débits ventilatoires

• Au repos
• Pas d effets sur les débits.
• Mais régulation modifiée par lentraînement
• baisse de la sensibilité des chémorécepteurs.
• diminution demande ventilatoire.

43
Débits ventilatoires

• Exercice sous-maximal
• Pour une même intensité absolue
• Baisse du VE et augmentation VE/VO2 baisse
  relative du coût énergétique de la VE.
• Baisse de la FR chez lathlète.
• meilleur conditions métaboliques (meilleur
  capacité oxydative)
• moindre augmentation de lactivité
  orthosympathique

44
Débits ventilatoires

• Exercice sous-maximal

Baisse VE sous max adaptation au niveau des
muscles entraînés - meilleur conditions
métaboliques (meilleur capacité oxydative). -
moindre augmentation de lactivité sympathique.
VE (L.min-1)
45
Débits ventilatoires

• Exercice maximal
• Augmentation du VEmax
• Sédentaire 100/120 L.min-1
• Sujet entraîné 150 L.min-1 et peut être
  supérieur à 180 L.min-1.
• Sujets très entraîné jusquà 240 L.min-1

46
Débits ventilatoires

• Exercice maximal
• Augmentation du VEmax principalement par une
  augmentation de la FRmax.
• Légère augmentation du Vt seulement si la
  capacité vitale est augmentée.
• Augmentation du VEmax avec lentraînement
  corrélée à laugmentation de la VO2MAX.

47
Seuils ventilatoires

• Décalage de ce seuil vers la droite Recours
  beaucoup plus tardif au métabolisme glycolytique
  pour la fourniture dénergie du fait
• moindre production dacide lactique chez le
  sujet entraîné.
• augmentation de son utilisation par la cellule
  (augmentation de la capacité oxydative, du
  contenu des enzymes LDH et cycle de Cori).
• lactatémie toujours plus faible chez le sujet
  entraîné rapport production / dégradation
  diminue.

48
Cinétique de récupération

• La cinétique de la récupération de la ventilation
  à la fin dun exercice standard (même pourcentage
  de VO2max) nettement plus rapide chez le sujet
  entraîné
• accumulation réduite des produits du catabolisme
  musculaire (acide lactique), du fait du décalage
  du seuil vers de plus hautes charges de travail.

49
Contrôle de la ventilation

• Hollmann et coll. (1981) un entraînement
  régional des muscles
• hypothèse centrale (mineure).
• hypothèse locale (majeure).

50
Ventilation alvéolaire

• VAmax augmente avec lentraînement
• VAmax 85L/min chez le sédentaire
• VAmax 125L/min chez le sujet entraîné
• peut atteindre 170L/min chez le sujet très
  entraîné 2 fois plus que le sédentaire comme
  VO2max.

51
Rapport ventilation/perfusion

• Exercice maximal
• Le rapport sera plus important chez le sujet
  entraîné puisque la VA est augmentée avec
  lentraînement.

52
Différence alvéolo/capillaire

• Exercice sous-maximal
• Diffusion légèrement supérieur chez le sujet
  entraîné (même I absolue).
• Cette différence va augmenter avec lintensité
  de lexercice de façon plus importante chez
  lathlète.

53
Limitation ventilatoire à lexercice ?
Hyperventilation à lexercice maximal

• VEmax toujours inférieure à la VMM
• VE continue daugmenter alors même que la VO2max
  plafonne
• PAO2 à 120 mmHg et PACO2 à 30 mmHg
• Pas de désaturation artérielle le CaO2 reste
  maximal

Débits et pressions nettement infra maximaux

• Courbes débit - volume loin de lenveloppe
  maximale
• Réserves ventilatoires de lordre de 50 à 60
  des capacités théoriques
• P inspiratoires denviron 15 à 30 PI max.
• P expiratoires au maximum de lordre de 3 PE
  max.
• Puissance de lordre de 30 de celle qui est
  développée en hyperventilation volontaire

Pas de signe EMG de fatigue des muscles
respiratoires
54
Contrôle de la ventilation
Centre respiratoire pacemaker complexe
pre-Botzinger du tronc cérébral Descend par les
nerfs C3-C5 nerfs phréniques (diaphragme)
inversion inspiration/expiration Ruptures du
tronc cérébral arrêts ventilatoire et/ou la
mort
V
55
Centres de contrôle de la ventilation
Centres pneumotaxique (noyau parabrachial)
Centres bulbaires inspiratoire et expiratoire,
groupe respiratoire dorsale ventral
V
Noyaux des motoneurones
56
Centres de contrôle de la ventilation
Centres bulbaires inspiratoire et expiratoire
- Les noyaux du groupe respiratoire dorsale se
projettent sur les noyaux des motoneurones du
diaphragme rythme de base. - Les noyaux du
groupe respiratoire ventral se projettent sur les
noyaux des motoneurones des intercostaux
abdominaux exercice.
57
Centres de contrôle de la ventilation
Centres pneumotaxique - transmettent les infos
de lhypothalamus, influences des variations -
PaCO2 - PaO2 - émotion - fièvre -
58
Contrôle de la ventilation

• Contrôle par les mécanorécepteurs
• Récepteurs laryngotrachéaux (irritation,
  sécrétions toux, constriction, hypertension)
• Récepteurs bronchiques intrapulmonaires
  (irritations contriction, réflex Hering-Breuer
  inhibition inspiratoire)
• Récepteurs alvéolaires sensibles à la P
  interstitielle hyperventilation superficielle.
• Récepteurs thoraciques proprioceptifs
  FNMusculaire adaptation des muscles respi à la
  charge

59
Contrôle de la ventilation

• Contrôle par les chémorécepteurs
• Chémorécepteurs centraux surface ventrale du
  bulbe sensible à la composition chimique du LCR
  (H, CO2)
• Chémorécepteurs périphériques aortiques et
  sinocarotidien détection des PaO2, PaCO2 et pH
  stimulation VE

60
Contrôle de la ventilation
61
Régulation de la ventilation

• Interaction de plusieurs mécanismes contrôle
  organisés en boucle
• Réflexe ventilatoire à point de départ mécanique
  
• Via les mécano-récepteurs
• Régulation humorale
• Niveau périphérique aortique et sinocarotidien
  (pH, PaO2, PaCO2).
• Niveau central paroi du 4ème ventricule
  (variations physicochimiques du liquide
  céphalo-rachidien)

62
Régulation de la ventilation à lexercice

• Trois théories saffrontent
• la régulation de la VE est neurogénique /
  mécanique
• la régulation de la VE est humorale 
• la régulation est en fait mixte, cad
  neurohumorale.

63
Régulation de la ventilation à lexercice

• Exercice constant
• Phase I mécanique
• Phase II facteurs humoraux
• Phase III CO2 (tampon de lacidose), les ions
  H, les ions K, cathécholamines, fibres III et
  IV, fibres C, .

64
Régulation de la ventilation à lexercice

• Théorie neuro-humorale de la régulation
  ventilatoire à lexercice
• Mécanismes neurogéniques centraux cortex
  hypothalamus aires réticulée.
• Mécanismes neurogéniques périphériques
  mécanorécepteurs musculaires et articulaires
  (FIII et FIV)
• Mécanismes humoraux sensibilité des
  chémorécepteurs périphériques et centraux (CO2,
  ions H, K, ).

65
Régulation de la ventilation à lexercice
66
Modalités de lhyperventilation

• Exercice constant et modéré
• Ventilation augmente selon 5 phases
• Phase I
• Phase II
• Phase III
• Phase IV
• Phase V

V
67
Modalités de lhyperventilation
V
EXERCICE
68
Modalités de lhyperventilation

• Phase I
• - est dépendante des sujets (conditionnement ?)
• - nest pas présente lors du blocages des
  réafférences nerveuses provenant des muscles
  actifs.
• - nest pas beaucoup augmenté lors de
  stimulation indirecte de ses réafférences (17)
• - est fortement diminuée lors de la section des
  fibres afférentes de type III et IV.
• - est fortement stimulé par une augmentation
  artificielle de Q !
• - nest pas influencée par lablation des
  corpuscules carotidiens ni des schémorecepteurs
  aortiques.
• - nest pas sensible au retour veineux.
• - nest pas liée aux métabolites relatifs à
  lexercice physique.
• - pas de changement du QR pendant cette phase

69
Modalités de lhyperventilation
V
70
Modalités de lhyperventilation

• Phase I
• - est immédiate
• - influencée par les réafférences des muscles au
  travail
• neurogénique
• - pas présente si on augmente lintensité
  dexercice
• - les pressions gazeuses alvéolaires (PACO2 et
  PAO2) et le QR ne sont pas modifiées durant cette
  phase
• - disparaît si lexercice est réalisé après une
  hyperventilation volontaire.
• pas exclusivement neurogénique

V
71
Modalités de lhyperventilation

• Phase II
• - constante de temps de réponses identique entre
  VE, VCO2 , et la PETCO2
• - VE suit les variations sinusoïdales de la
  charge dexercice
• - est un peu influencée par lablation des corps
  carotidiens

72
Modalités de lhyperventilation
73
Modalités de lhyperventilation

• Phase II
• principalement humorale
• très partiellement neurogénique

74
Modalités de lhyperventilation

• Phase III
• - constante de temps de réponses identique entre
  VE, VCO2 , et la PETCO2
• - est influencée par lespace mort
• - est influencée par le substrat privilégié à
  lexercice (glucide ou lipide)
• principalement humorale

75
Modalités de lhyperventilation

• Exercise constant

76
Modalités de lhyperventilation

• Exercice constant et exhaustif
• Au-delà de 70, 80 de VO2MAX, on na pas atteinte
  dun état stable (VE continue daugmenter).
• Liée à la composante lente de VO2
• Augmentation du coût métabolique de la VE
• Modification du recrutement des fibres
  musculaires

77
Modalités de lhyperventilation
VO2 réelle
Composante lente
VO2 attendue
78

• Merci